Основні теоретичні положення. Машина постійного струму (МПС) - це оборотний електромеханічний перетворювач енергії, що найчастіше використовується як двигун

Машина постійного струму (МПС) - це оборотний електромеханічний перетворювач енергії, що найчастіше використовується як двигун. Основними перевагами двигунів постійного струму (ДПС) є можливість отримання великих пускових моментів та відносно легке регулювання їх частоти обертання.

До недоліків МПС можна віднести їх конструктивну складність, необхідність у джерелі постійного струму, а також меншу надійність

та більші габарити у порівнянні з двигунами змінного струму.

МПС складається нерухомої частини - статора і рухомої частини - якоря (рис. 5.1). Статор містить станину 1, до якої кріпляться головні полюси 2 та додаткові полюси 3. На головних полюсах розміщені котушки обмотки збудження 4, а на додаткових обмотка додаткових полюсів 5. Для отримання постійного значення магнітної індукції в повітряному проміжку між полюсом та якорем осердя головних полюсів мають наконечники спеціальної форми.

Рис. 5.1. Конструкція машини постійного струму

 

Якір МПС має закріплене на валу 6 циліндричне осердя 7, в пази якого вкладається обмотка якоря. Для зменшення втрат на гістерезис та вихрові струми, осердя виконується шихтованим.

Окремі секції обмотки якоря приєднуються до відповідних пластин колектора 8 (показаний пунктиром) по поверхні якого, при обертанні якоря, ковзають щітки 9, забезпечуючи таким чином контакт обмотки з мережею постійного струму.

Принцип роботи ДПС полягає у наступному. При підключені двигуна до мережі в обмотці збудження починає протікати струм, який збуджує магнітний потік полюсів. У результаті взаємодії струму в провідниках обмотки якоря з магнітним полем полюсів виникає обертовий момент, що обертає якір.

Згідно закону електромагнітної індукції в провіднику обмотки якоря, що обертається, виникає ЕРС, спрямована протилежно до його струму

= ВЇУ, (5.1)

де І - довжина провідника; V - швидкість провідника; В - магнітна індукція. Щітки ділять обмотку якоря на 2а паралельних віток (а - число пар паралельних віток). Таким чином у кожній паралельній вітці з'єднуються Ы12а провідника, і середнє значення ЕРС якоря дорівнює

Е = ^БсрIV, (5.2)

2а

де N - кількість провідників; В_ср - середнє значення магнітної індукції.

Швидкість провідника V можна виразити через частоту обертання якоря п, величину полюсного кроку т і число полюсів 2р:

_{у =} ²рт 60 ^,

а магнітний потік одного полюса через добуток площі поверхні якоря, що припадає на один полюс З_пол на середнє значення магнітної індукції в межах полюсного кроку

^Ф = ^Вср ^ол = ^Вср¹Т. В підсумку ЕРС якоря запишеться

п п

Ея = ^{Р ф} = се Фп, (5.3)

а 60

рМ

де Се =-------, - коефіцієнт ЕРС, що залежить від конструктивних

60а

особливостей машини.

Струм у обмотці якоря визначається таким виразом

/я = ^, (5.4)

^я «я ⁽⁾

де и - напруга мережі; Я_я - опір обмотки якоря.

Струм якоря, взаємодіючи з магнітним полем головних полюсів, спотворює його та погіршує умови роботи машини. Це явище

називається реакцією якоря.

На кожний з N провідників обмотки якоря діє сила Ампера

^Fnp = ^lBI пр.

Сума цих сил утворює електромагнітний момент, який діє на якір D N D _Р

Мем = ^D ЕРпр = ^dNlBсрІпр = NФIя = с_мФІя, (5.5) 2 k=! 2 2па

Р

де D - діаметр осердя якоря; См =-------- У - коефіцієнт моменту.

2%a

В усталеному режимі цей момент зрівноважується моментом опору навантаження, що прикладене до валу двигуна.

При збільшенні навантаження рівновага моментів порушується і двигун почне зменшувати частоту обертів. Це спричинить зменшення ЕРС якоря (5.3) і збільшення його струму (5.4). Пропорційно до струму якоря збільшиться обертовий момент (5.5) і рівновага моментів відновиться.

Для того, щоб напрям електромагнітного моменту залишався постійним, колектор здійснює комутацію струму в обмотці ротора так, щоб напрям струму в тих провідниках, що знаходяться під одним полюсом залишався однаковим.

Число обертів якоря визначається виразом

и - і_я R

n =--------. (5.6)

Се ^ф

З наведеного виразу видно, що частотою обертання якоря ДПС можна керувати шляхом зміни магнітного потоку Ф, зміни напруги U підведеної до обмотки якоря або введенням в коло якоря додаткового опору.

Щоб змінити напрям обертання якоря необхідно змінити полярність напруги, що прикладена до якоря або змінити напрям магнітного потоку головних полюсів.

Характеристики МПС залежать від способу підключення кола збудження по відношенню до кола якоря. У машинах з незалежним збудженням обмотка збудження живиться від окремого джерела, тому струм в ній не залежать від напруги живлення якоря.

При паралельному збудженні обмотка збудження підключається паралельно з обмоткою якоря до одного джерела напруги.

У машинах з послідовним збудженням обмотка збудження підключається послідовно з обмоткою якоря і має однаковий з ним струм.

Змішане збудження має місце у випадку, коли одна частина обмотки збудження підключається паралельно, а інша послідовно до обмотки якоря.

У двигуні з паралельним збудженням струм збудження не залежить від струму якоря та від навантаження двигуна (рис. 5.4). Пусковий реостат Я_х необхідний для того, щоб обмежити пусковий струм в якорі (5.4) доки не збільшиться ЕРС, яка пропорційна обертам якоря (5.3). Оскільки ЕРС пропорційна також потоку Ф, то при пуску обмотку збудження включають на повну напругу мережі при повністю виведеному опорі Я₂, який в подальшому використовують для регулювання обертів двигуна.

Залежність частоти обертання від струму якоря п = У(/_я) при зміні навантаження на валу ДПС називається електромеханічною (швидкісною) характеристикою (рис.5.2, а). Вигляд характеристики визначається впливом двох факторів: зміною спаду напруги І_яЯ_я (5.6) та зміною основного потоку Ф, який зменшується через реакцію якоря.

Однією з найважливіших характеристик ДПС є механічна характеристика (рис.5.2, б), що являє собою залежність частоти обертання від обертового моменту на валу п = /(М).

 

а б

Рис. 5.2. Електромеханічна (а) і механічна (б) характеристики ДПС

з незалежним збудженням

Механічна та електромеханічна характеристики називаються природними, якщо до двигуна підведена номінальна напруга і в його колах відсутні додаткові резистивні елементи. У зворотному випадку характеристики називаються штучними.

 

			п
		/я
				^М
	--------------------	--------------------	--------------------	----------------------------»-

0 400 800 1200 1600 р2 Зт

/я. А

М, Н м 160

п, об/хв 1000-

Л

0,9- 0,8 - 0,7- 0,6

750 - 500 - 250 - 0 -

0,5 0,4 0,3 - 0,2- 0Д 0 -І

 

Рис. 5.3. Робочі характеристики ДПС

Робочі характеристики (рис. 5.3) визначають експлуатаційні властивості двигунів. До них належать залежності числа обертів п, обертового моменту М, струму якоря І_я та ККД п від корисної потужності на валу, тобто п; М; І_я; п = ЛРі)- При цьому передбачається, що напруга живлення и = и_ном, струм збудження І_зб = І_{зб ном} та відсутній додатковий опір у колі якоря.

Проведення дослідів

1. Провести огляд лабораторної установки та записати паспортні дані досліджуваних машин у табл. 5.1.

2. Скласти електричне коло відповідно до рис. 5.4 і перевірити пускорегулювальні та вимірювальні прилади.

©

с=о

Лабораторна установка складається з двигуна постійного струму з паралельним збудженням М і генератора постійного струму з незалежним збудженням G, між якими існує механічний зв'язок. Генератор використовується в якості навантаження. Вольтметр Уі призначений для вимірювання напруги на затискачах якірної обмотки Я1, Я2, вольтметр У₂ вимірює напругу генератора G. Амперметри А_ь А₂ вимірюють струм якоря І_я та струм збудження І_зб відповідно, А₃ - струм навантаження генератора.

Таблиця 5.1 Найменування машини Тип Р 1 нс^ кВт Uном, В Ія ном, А n2нсм, об/хв п, % Яя, Ом Двигун               Генератор

 

За допомогою вольтметра У₃ вимірюється напруга тахогенератора, яка перераховується в частоту обертання. Реостати Я₁ - пусковий, Я₂ - регулювальний. ДПС живиться від джерела постійного струму 220 В через автоматичний вимикач QF1. До затискачів Ш1, Ш2 обмотки збудження генератора ЬИЄ подається живлення від джерела постійного струму 220 В через автоматичний вимикач QF2.

3. Встановивши максимальне значення опору Я\, мінімальне значення опору Я₂, розімкнути вимикач 3 і запустити двигун.

4. Для знімання природних характеристик ДПС, встановити навантажувальний реостат Я₃ в положення, що відповідає холостому ходу (0), замкнути вимикач 3, а опір реостатів Я₁, Я₂ встановити рівним нулю. Зняти покази приладів. Змінюючи опір навантажувального реостата Я₃ провести серію дослідів. Результати вимірювань записати у таблицю 5.2.

5. Для знімання штучних характеристик ДПС, встановити навантажувальний реостат Я₃ в положення, що відповідає холостому ходу (0), опори реостатів Яі Ф 0, Я₂ = 0. Змінюючи опір навантажувального реостата Я₃, провести серію дослідів.

6. Зняти регулювальну характеристику і записати результати вимірів у таблицю 5.3. Характеристика знімається за таких умов: вимикач 3 розімкнений, а Я₁ виведений із кола якірної обмотки (Я₁ = 0). Опір регулювального реостата Я₂ змінюють ступінчасто від мінімального значення до максимального. Необхідно стежити за тим, щоб частота обертання не перевищувала номінальну більше ніж на 30%.

Таблиця 5.2 Дані спостережень Результати обчислень Режим Двигун Генератор п, об/хв и, В Ія, А Ізб, А иг, В Іг, А Р1, Вт Рг, Вт Р2, Вт М, Нм П ю, рад/с При родна характеристика (Я1 = 0) хх

Дані спостережень

Результати обчислень

Режим

Двигун

Генератор

п, об/хв

и, В

Ія, А

Ізб, А

иг, В

Іг, А

Рі, Вт

Рг, Вт

Р2, Вт

М, Нм

п

ю, рад/с

Штучна характеристика (Р1 Ф 0)

хх

Зідмітки викладача

Оцінка

Підпис

 

 

Таблиця 5.3 Ізб, А                 п, об/хв                 ю, рад/с